Схемы выведения космических аппаратов
Для выведения КА на орбиту ракета-носитель (РН) должна сообщить ему вполне определенную скорость, как по величине, так и по направлению при заданных координатах точки выведения. Это обеспечивается программой полета, реализация которой происходит при воздействии на РН органов управления.
Ракета-носитель, стартуя вертикально, выходит затем на криволинейный участок траектории полета, на протяжении которого угол наклона ее оси к местному горизонту постепенно уменьшается. В плотных слоях атмосферы РН движется по траектории, близкой к траектории с нулевой подъемной силой, т.е движение происходит с нулевым углом атаки.
Скорость, необходимая для выведения КА на круговую орбиту в центральном поле тяготения Земли (первая космическая скорость), рассчитывается по формуле
где g– ускорение свободного падения для поверхности Земли,g= 9,80665 м/с2;R– средний радиус Земли, равный 6371 км;H– высота орбиты КА над поверхностью Земли.
Для поверхности
Земли, как известно, первая космическая
скорость равна 7,9 км/с, для
км (НОО – низкая околоземная или опорная
орбита)
км/с, для ГСО – 3,076 км/с.
Для эллиптических орбит конечные скорости находятся в диапазоне между первой и второй космическими скоростями (7,9 … 11,2 км/с). Следует помнить, что за счет использования вращения Земли вокруг собственной оси, при запуске РН с КА в восточном направлении можно получить дополнительное приращение скорости, равное для экватора 465 м/с. Для широты космодрома Плесецк (Россия, 63°00′ с. ш. 41°00′ в. д. ) – 210 м/с.
На практике реализуются различные методы выведения КА на орбиту, отличающиеся друг от друга требуемой энергией, программой изменения тяги, параметрами ступеней РН, продолжительностью выведения, и др. Однако главным требованием, обуславливающим выбор типа выведения, является минимизация энергии. Различают три основным типа вывода КА на орбиту:
– полностью активный вывод (прямое выведение);
– баллистический вывод;
– эллиптический вывод (с участком движения по перигейной круговой орбите радиуса, равного перигейному расстоянию переходной орбиты или без него).
При прямом выведенииимеется лишь один активный участок, параметры движения в конце которого должны совпадать с требуемыми орбитальными параметрами КА. Это тип вывода, по сравнению с двумя последующими типами вывода является менее экономичным, поскольку с увеличением продолжительности активного участка возрастает расход энергии на преодоление гравитационных сил. Этот метод целесообразно использовать для выведения КА только на НОО (до 400 км). Здесь большое значение приобретает вопрос выбора программы движения РН, обеспечивающей минимум расхода энергии.
При баллистическом выводереализуются траектории, представляющие собой дуги эллиптических траекторий в центральном поле тяготения. При этом вершина эллиптической траектории должна касаться орбиты, на которую выводится КА. В вершине траектории КА сообщается дополнительный импульс до требуемой орбитальной скорости (второй активный участок). Этот метод выведения по сравнению с другими обеспечивает прямую видимость во время выведения и более благоприятные условия для спасения отдельных ступеней РН, на вывод тратится меньше времени. Баллистический тип вывода несет наименьшие затраты энергии при высотах орбиты КА до 1000 км.
Эллиптический вывод– наиболее экономичный способ перевода космического аппарата с одной круговой орбиты на другую (с точки зрения затрат ракетного топлива). При эллиптическом выводе КА сначала выводится на НОО высотой 180 … 200 км, где (сразу или через определенный промежуток времени) он разгоняется до перигейной скорости переходного эллипса, в апогее которого, касающегося заданной орбиты, КА разгоняется до требуемой орбитальной скорости. Т.е. переход происходит по полуэллиптичекой траектории, которая касается внутренней (меньшей) круговой орбиты снаружи, и касается внешней (большей) круговой орбиты изнутри. Такие переходы называют полуэллиптическими или гомановскими переходами по имени немецкого ученого В. Гомана (W. Hohman), который впервые предложил использовать их для межпланетных перелетов.
Широкое применение в космонавтике находит геостационарная орбита. Наиболее выгодным с энергетической точки зрения считается выведение КА на ГСО со стартовых площадок на экваторе. Запуск КА на ГСО с космодромов России является более сложным, так как требует дополнительного изменения плоскости орбиты КА. Этот энергоемкий маневр осуществляется, как правило, специальных многократно включаемых ступеней РН – разгонных блоков. При этом используются способы выведения, включающие в себя пассивные участки и опорные орбиты. Практическое применение в настоящее время получили двух- и трехимпульсные схемы выведения, а также использование гравитационного поля Луны для поворота плоскости орбиты КА.